慶應義塾研究者情報データベース

その他の所属・職名 【 表示 ／ 非表示 】

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• 理化学研究所, 計算宇宙物理研究室, 客員研究員

経歴 【 表示 ／ 非表示 】

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• 2009年

  - Keio University KLL Research Associate

• 2009年

  - University of Electro-Communications Assistant Professor

• 2009年

  - RIKEN Visiting Researcher

• 2009年04月

  -

  2019年03月

  慶應義塾大学, 先端科学技術センター, 研究員

• 2009年04月

  -

  継続中

  理化学研究所, 計算宇宙物理研究室, 客員研究員

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学歴 【 表示 ／ 非表示 】

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• 2000年04月

  -

  2004年03月

  慶應義塾大学, 理工学部, 機械工学科

  大学, 卒業

• 2004年04月

  -

  2006年03月

  慶應義塾大学, 開放環境科学専攻, 環境資源エネルギー科学専修

  大学院, 修了, 修士

• 2006年04月

  -

  2009年03月

  慶應義塾大学, 開放環境科学専攻, 環境資源エネルギー科学専修

学位 【 表示 ／ 非表示 】

学位 【 表示 ／ 非表示 】

• 博士（工学）, 慶應義塾大学, 課程, 2009年03月

  散逸粒子動力学法を用いた界面活性剤水溶液の自己組織化の解明および高効率ナノ モーターシステムの設計・開発

免許・資格 【 表示 ／ 非表示 】

免許・資格 【 表示 ／ 非表示 】

• 普通自動車第一種運転免許, 2000年09月

• 初級システムアドミニストレータ資格, 2000年11月

研究分野 【 表示 ／ 非表示 】

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• ものづくり技術（機械・電気電子・化学工学） / 熱工学 (マイクロ・ナノ工学)

• ナノテク・材料 / ナノ材料科学

• ナノテク・材料 / ナノバイオサイエンス

• ナノテク・材料 / ナノマイクロシステム

研究キーワード 【 表示 ／ 非表示 】

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• Molecular motor system

• ソフトマター

• ソフトマター

• ナノ空間

• ナノ粒子

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著書 【 表示 ／ 非表示 】

著書 【 表示 ／ 非表示 】

• 高分子材料の事典（仮）

  荒井規允, 朝倉書店, 2021年

• 化学便覧 基礎編 改訂6版

  荒井規允, 泰岡顕治など, 丸善出版, 2020年12月

• データ分析の進め方及びAI・機械学習導入の指南 ～データ収集・前処理・分析・評価結果の実務レベル対応～

  荒井規允, 情報機構, 2020年07月

• 人と共生するAI革命 : 活用事例からみる生活・産業・社会の未来展望

  荒井規允, 湯原大輔, 泰岡顕治, エヌ・ティー・エス, 2019年

  担当範囲: 第11章3節「AI活用による材料創製のための分子シミュレーションの高速化と界面活性剤性質予測システムの開発」

• 界面活性剤の選び方、使い方事例集

  荒井規允, 技術情報協会, 2019年

  担当範囲: 第2章 第9節「AIによる界面活性剤の性質予測」

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論文 【 表示 ／ 非表示 】

論文 【 表示 ／ 非表示 】

• Design strategy for blends of biodegradable polyester and thermoplastic starch based on a molecular dynamics study of the phase-separated interface

  Yamaguchi, A; Arai, S; Arai, N

  CARBOHYDRATE POLYMERS （Carbohydrate Polymers)  333   122005 2024年06月

  ISSN  0144-8617

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  Molecular insight into the phase-separated interface formed when biodegradable polyesters and thermoplastic starch (TPS) are melt-blended is valuable for the design of composites. In this study, eight different interfaces combining four major biodegradable polyesters (PLA, PBS, PHB and PBAT) and two TPSs [unmodified TPS (nTPS) and citrate-modified TPS (cTPS)] were investigated by using molecular dynamics (MD) simulations. According to the MD simulation results, PBS, PHB and PBAT diffuse readily into the TPS and form compatible interfaces, whereas PLA is less compatible with the TPS. The results of tensile simulations show that PBS and PBAT adhere well to TPS; in particular, PBS/cTPS and PBAT/cTPS exhibit high interfacial-fracture energy (G). Both PLA and PHB blended with TPS exhibit low G because PLA is less compatible with TPS and PHB and TPS have low electrostatic interaction. The reason for the high G of PBS/cTPS and PBAT/cTPS is thought to be a combination of three factors: (i) formation of a deep compatible interface, (ii) suppression of void growth by electrostatic interactions and (iii) absorption of strain energy by a change in the conformation of the molecular chains. These three interfacial adhesion mechanisms should be considered when designing biodegradable polyester/TPS blends with good mechanical properties.

  • Access to Document (DOI)

• In-layer inhomogeneity of molecular dynamics in quasi-liquid layers of ice.

  Yasuda I, Endo K, Arai N, Yasuoka K

  Communications chemistry 7 （ 1 ） 117 2024年05月

  • Access to Document (DOI)

• Cholesteric liquid crystal phase variations within nanotubes: an in-depth analysis of the influences of twist radius and molecular pitch

  Yamada, K; Arai, N

  LIQUID CRYSTALS （Liquid Crystals)  2024年05月

  ISSN  0267-8292

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  This study investigates the self-assembly and phase transitions of cholesteric liquid crystals (CLCs) when confined in nanotubes, specifically focusing on the variations in their molecular structures. A dissipative particle dynamics method was used to investigate how the changes in helix radius ((Formula presented.)) and pitch ((Formula presented.)) affect the behaviour of the LCs. For pitches of 24, 12, and 6, the orientation order parameter ((Formula presented.)) showed distinct trends during cooling. Smaller helix radii resulted in isotropic to nematic to smectic phase transitions, whereas larger radii resulted in a novel smectic phase with spiral structures (Sm (Formula presented.)). Circumferential local-order parameters ((Formula presented.) and (Formula presented.)) were introduced to better characterise the phases, and a disordered spiral-structure phase (Sm (Formula presented.)) with local perturbations was observed. The transitions between isotropic, nematic, and smectic phases, highlighting the influence of the pitch and helix radius, were observed from the phase diagrams. Smaller pitches and radii prevented the formation of stable structures; however, specific combinations induced characteristic spiral structures in the smectic phase. These results provide new insights into the self-assembly of confined CLCs, which have potential applications in the design of photonic devices and LC-based sensors. This study advances our understanding of phase control in quasi-one-dimensional systems and highlights the importance of molecular variations in liquid crystal behaviour.

  • Access to Document (DOI)

• Machine learning prediction of self-assembly and analysis of molecular structure dependence on the critical packing parameter

  Ishiwatari, Y; Yokoyama, T; Kojima, T; Banno, T; Arai, N

  MOLECULAR SYSTEMS DESIGN & ENGINEERING （Molecular Systems Design and Engineering)  9 （ 1 ） 20 - 28 2024年

  ISSN  2058-9689

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  Amphiphilic molecules spontaneously form self-assembly structures depending on physical conditions such as the molecular structure, concentration, and temperature. These structures exhibit various functionalities according to their morphology. The critical packing parameter (CPP) is used to correlate self-organized structures with the chemical composition. However, accurately calculating it requires information about both the molecular shape and molecular aggregates, making it challenging to apply directly in molecular design. We aimed to predict the self-assembled structure of a molecule directly from its chemical structure and to analyze the factors influencing it using machine learning. Dissipative particle dynamics simulations were used to reproduce many self-assembly structures comprising various chemical structures, and their CPPs were calculated. Machine learning models were built using the chemical structures as input data and the CPPs as output data. As a result, both random forest and the gated recurrent unit showed high prediction accuracy. Feature importance analysis and sample size dependence revealed that the amphiphilic nature of molecules significantly influences the self-assembly structures. Additionally, selecting an appropriate molecular structure representation for each algorithm is crucial. The study results should contribute to product development in the fields of materials science, materials chemistry, and medical materials.

  • Access to Document (DOI)

• Supramolecular copolymerization of hydrophobic and hydrophilic monomers in liquid crystalline media

  Morishita, D; Itoh, Y; Furukawa, K; Arai, N; Zhang, XJ; Aida, T

  CHEMICAL SCIENCE （Chemical Science)  15 （ 11 ） 4068 - 4074 2024年

  ISSN  2041-6520

  　概要を見る

  In the case of covalent polymers, immiscible polymers can be integrated by covalently linking them together, but such a strategy is not possible in supramolecular polymers. Here we report the supramolecular copolymerization of two porphyrin-based monomers, C10P2H and TEGPCu with side chains bearing cyanobiphenyl (CB) groups at the ends of hydrophobic alkyl or hydrophilic tetraethylene glycol chains, respectively. These monomers undergo self-sorting supramolecular polymerization in highly diluted solutions ([monomer] = 3.4 × 10−9 mol% (2.0 × 10−8 mol L−1)) in nonpolar media due to the incompatibility of the side chains. Surprisingly, these monomers undergo supramolecular copolymerization under high concentration conditions ([monomer] = 7.7 mol%) in the medium of 4-cyano-4′-pentyloxybiphenyl (5OCB) to form a columnar liquid crystalline phase under thermodynamic conditions, where the individual columns are composed of supramolecular block copolymers. The combination of CB ends of both monomers and the 5OCB medium is essential for the two monomers to form an integrated structure in a condensed system without phase separation.

  • Access to Document (DOI)

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KOARA（リポジトリ）収録論文等 【 表示 ／ 非表示 】

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• 熱スイッチ機能を有する熱輸送材料の設計と熱交換メカニズムの分子論的理解

  荒井, 規允

  学事振興資金研究成果実績報告書 （慶應義塾大学)  2019年

• 界面活性剤分子の自己集合によるトムズ効果メカニズムの分子論的解明

  荒井, 規允

  科学研究費補助金研究成果報告書 2019年

総説・解説等 【 表示 ／ 非表示 】

総説・解説等 【 表示 ／ 非表示 】

• Wetting hysteresis induces effective unidirectional water transport through a fluctuating nanochannel

  Arai Noriyoshi, Yamamoto Eiji, Koishi Takahiro, Hirano Yoshinori, Yasuoka Kenji, Ebisuzaki Toshikazu

  NANOSCALE HORIZONS (Nanoscale Horizons)  8 ( 5 ) 652 - 661 2022年04月

  ISSN  2055-6756

  　概要を見る

  We propose a water pump that actively transports water molecules through nanochannels. Spatially asymmetric noise fluctuations imposed on the channel radius cause unidirectional water flow without osmotic pressure, which can be attributed to hysteresis in the cyclic transition between the wetting/drying states. We show that the water transport depends on fluctuations, such as white, Brownian, and pink noises. Because of the high-frequency components in white noise, fast switching of open and closed states inhibits channel wetting. Conversely, pink and Brownian noises generate high-pass filtered net flow. Brownian fluctuation leads to a faster water transport rate, whereas pink noise has a higher capability to overcome pressure differences in the opposite direction. A trade-off relationship exists between the resonant frequency of the fluctuation and the flow amplification. The proposed pump can be considered as an analogy for the reversed Carnot cycle, which is the upper limit of the energy conversion efficiency.

  • Access to Document (DOI)

• Prediction of transport property via machine learning molecular movements

  Ikki Yasuda, Yusei Kobayashi, Katsuhiro Endo, Yoshihiro Hayakawa, Kazuhiko Fujiwara, Kuniaki Yajima, Noriyoshi Arai, Kenji Yasuoka

   2022年03月

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  Molecular dynamics (MD) simulations are increasingly being combined with
  machine learning (ML) to predict material properties. The molecular
  configurations obtained from MD are represented by multiple features, such as
  thermodynamic properties, and are used as the ML input. However, to accurately
  find the input--output patterns, ML requires a sufficiently sized dataset that
  depends on the complexity of the ML model. Generating such a large dataset from
  MD simulations is not ideal because of their high computation cost. In this
  study, we present a simple supervised ML method to predict the transport
  properties of materials. To simplify the model, an unsupervised ML method
  obtains an efficient representation of molecular movements. This method was
  applied to predict the viscosity of lubricant molecules in confinement with
  shear flow. Furthermore, simplicity facilitates the interpretation of the model
  to understand the molecular mechanics of viscosity. We revealed two types of
  molecular mechanisms that contribute to low viscosity.

• 分子が関わる伝熱・熱工学 ナノ多孔質体に閉じ込められた物質の固液相転移現象と自己組織化現象

  金子敏宏, 荒井規允, 泰岡顕治

  伝熱 56 ( 236 )  2017年

  ISSN  1344-8692

• Erratum: Self-assembly of Janus nanoparticles with a hydrophobic hemisphere in nanotubes (Soft Matter (2016) 12 (378-385))

  Kobayashi Y., Arai N.

  Soft Matter (Soft Matter)  12 ( 6 ) 1924 2016年

  ISSN  1744683X

  • Access to Document (DOI)

• C221 散逸粒子動力学シミュレーションによる二成分系液晶の相挙動及び構造の解析(OS-13:分子シミュレーション(2))

  西山 雄一郎, 荒井 規允

  熱工学コンファレンス講演論文集 (一般社団法人日本機械学会)  2015   "C221 - 1"-"C221-2" 2015年10月

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  In this study, we carried out a dissipative particle dynamics simulation about two kind of the length liquid crystal molecules. In this simulation, we observed phases as a volume fraction of liquid crystal molecules as a parameter with temperature change. As a result, we found that a transition temperature from isotropic phase to nematic phase depends on the volume fraction.

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研究発表 【 表示 ／ 非表示 】

研究発表 【 表示 ／ 非表示 】

• Clarifying mechanism of water permeation in polymeric membranes and synthetic strategy for water-inhibiting functional polymers

  N Arai, Y. Araki

  6th International Conference on Multifunctional, Hybrid and Nanomaterials (MYMA2019), 

  2019年03月

  , 

  ポスター発表

• Dissipative particle dynamics simulation for elucidating relaxation behaviour of telechelic ionomer supramolecular network

  R. Miwatani, N. Arai

  6th International Conference on Multifunctional, Hybrid and Nanomaterials (MYMA2019), 

  2019年03月

  , 

  ポスター発表

• Dissipative particle dynamics simulation for self-assembly and rheological properties of nanofluids

  Y. Kobayashi, N. Arai

  6th International Conference on Multifunctional, Hybrid and Nanomaterials (MYMA2019), 

  2019年03月

  , 

  ポスター発表

• Structural analysis of cholesteric liquid crystal orientation in nanotube: Dissipative particle dynamics simulation

  H. Tsujinoue, T. Nozawa, N. Arai

  6th International Conference on Multifunctional, Hybrid and Nanomaterials (MYMA2019), 

  2019年03月

  , 

  ポスター発表

• Self-assembly of various patchy nanoparticles in nanoslit using molecular simulation

  Y. Kobayashi, N. Arai, K. Nomura

  6th International Conference on Multifunctional, Hybrid and Nanomaterials (MYMA2019), 

  2019年03月

  , 

  ポスター発表

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競争的研究費の研究課題 【 表示 ／ 非表示 】

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• 熱伝導メカニズムの分子論的解明および熱伝導スイッチング材料の設計

  2019年11月

  -

  2020年10月

  住友財団, 基礎科学研究助成, 荒井 規允, 研究代表者

• 界面活性剤分子の自己集合によるトムズ効果メカニズムの分子論的解明

  2017年04月

  -

  2020年03月

  文部科学省・日本学術振興会, 科学研究費助成事業, 荒井　規允, 若手研究（Ｂ）, 補助金,  研究代表者

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  本年度は昨年度に開発した境界条件に密度勾配を与える方法のプログラムを使用し，実際に円管流れ下における界面活性剤水溶液の挙動を再現，解析を行った．トムズ効果に影響を与えるパラメータとして様々なものが知られているが，まずは界面活性剤分子が持つ炭素鎖の長さと，円管壁面の化学的性質の２つに着目して，流れの速度の影響を調べた．
  その結果，比較的炭素鎖の長さが短い場合，流れが遅い場合球状ミセルが形成されるが，流れの速度が増加するにつれて球状ミセル同士が衝突によって長い棒状・紐状のミセルへ成長し，粘度の減少が観察された．一方，炭素鎖が比較的長い場合，速度が遅いときには巨大な球状ミセルが形成され，粘度が流れの速度によらないニュートニアンのような振る舞いを示すが，流れが早くなるにつれて棒状ミセルの出現，さらに棒状ミセルが引き伸ばされることによって，粘度の増加が観察された．
  さらに管内壁面の化学的相互作用を変化させた時，親水的な壁面の場合，界面活性剤の濃度にかかわらず流れの速度が速くなるにつれて粘度の減少が見られたが，疎水的な壁面の場合，濃度が低いときにはニュートン流体のような振る舞い，濃度が高いときには粘度増加が観察された．この原因はミセルの破壊と弾性乱流の発生に伴うものだと示唆された．
  また現実により近く，妥当性のある結果を得るためには巨大な系と長時間のシミュレーションを行い，十分な統計量を得ることが必要である．OpenMPやFDPSを使用した高速化コードの開発は引き続き取り組んでいる.
  当初予定していた研究計画通りに進めることができた．トムズ効果のメカニズムを調べるために，まずは２つのパラメータについて詳細に検討できた．さらに結果は投稿論文で発表することができたため，順調に進展している，とした．
  シミュレーションの高速化に関するプログラムコードの開発，特にFDPSフレームワークの導入は引き続き行う予定である．いくつかのパラメータについて，管内流れ下における界面活性剤水溶液の挙動を再現し，粘度挙動を詳細に検討することがが可能となったため，これを踏まえ，抵抗低減に関する検討を行い，トムズ効果発現の分子論的な原因を特定する.そのためには，高レイノルズ数における流れを再現する必要がある．現在，計算の効率化のため円管半径を小さく抑えたため，レイノルズ数が小さくなってしまっている．半径をより大きくした大規模なシミュレーションを行い，抵抗低減率を測定し，それとミセルのサイズや形状，棒状ミセルの配向性や伸び，界面活性剤分子の親水性・円管の半径や化学的な相互作用とどのような関係性が見られるかについて検討することを予定して いる.

• 散逸粒子動力学シュミュレーションによるJanusナノ粒子の自己集合形態の予測

  2013年04月

  -

  2015年03月

  電気通信大学, 荒井 規允, 若手研究(B), 未設定

  　研究概要を見る

  ナノ粒子の自己集合は，我々の身の回りの様々な機能性材料の中で用いられている．つまり，自己集合と機能には強い関わりがあると言える．Janus粒子は，粒子表面に2つ以上の異なる性質を持つ（例えば疎水性と親水性を併せ持つ）特殊な粒子で，近年の合成技術の発達によって作成可能となった．本研究では Janusナノ粒子の自己集合構造や自己集合過程を分子シミュレーションによって調べた．その結果，これまで観察されなかった新しい集合構造や相を発見し，また規則的な相が現れるいくつかの条件を特定することができた．

受賞 【 表示 ／ 非表示 】

受賞 【 表示 ／ 非表示 】

• 優秀講演賞

  荒井 規允, 2017年09月, 日本機械学会ソフトマターイノベーション, 散逸粒子動力学法を用いたテレケリックポリマー水溶液のせん断流れ下の振る舞い

• 国際会議論文発表奨励賞

  荒井 規允, 2006年09月, 慶應義塾大学, Dissipative Particle Dynamics of surfactant threadlike micellar solutions

担当授業科目 【 表示 ／ 非表示 】

担当授業科目 【 表示 ／ 非表示 】

• 機械工学総合実験

  2024年度

• 理工学基礎実験

  2024年度

• 熱力学の基礎

  2024年度

• 開放環境科学課題研究

  2024年度

• 開放環境科学特別研究第２

  2024年度

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メディア報道 【 表示 ／ 非表示 】

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• 界面活性剤を利用したホコリ除去について

  テレビ東京, ヒャッキン, 2018年05月

所属学協会 【 表示 ／ 非表示 】

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• 日本伝熱学会, 

  2018年04月

  -

  継続中

• スマートプロセス学会, 

  2016年04月

  -

  2018年03月

• 日本機械学会, 

  2009年04月

  -

  継続中

• 分子シミュレーション学会, 

  2007年04月

  -

  継続中

• 日本レオロジー学会, 

  2006年04月

  -

  継続中

委員歴 【 表示 ／ 非表示 】

委員歴 【 表示 ／ 非表示 】

• 2017年04月

  -

  2018年03月

  第30回計算力学講演会実行委員副幹事, 日本機械学会計算力学部門

• 2016年04月

  -

  2017年03月

  第30回分子シミュレーション討論会実行委員, 分子シミュレーション学会

• 2016年04月

  -

  2017年03月

  編集委員, スマートプロセス学会

• 2015年04月

  -

  2019年03月

  編集委員, 分子シミュレーション学会

• 2015年04月

  -

  2019年03月

  編集委員, 分子シミュレーション学会

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